第3章 凝聚与絮凝(新)

应用：广泛应用于给水处理，也可用于工业水处理及城 市污水的三级处理和深度处理等。另外，还可用 于水的除油、脱色。 思考：水处理中，为什么需要进行混凝处理？
3.1 胶体的稳定性
作为水中的胶体颗粒杂质，其粒子尺寸大约在1nm到1m
之间，直接进行沉淀分离处理几乎是不可能。因此从水
处理的角度而言，认为胶体在水中是稳定的。 水中胶体稳定性：指胶体粒子在水中长期保持分散悬
排 斥 势 能 ER
ER E
Emax
0 a
吸 引 势 能 EA
b
EA
c
间距x
要使两胶体颗粒相互靠近并凝聚下沉，应降低ζ电位，减少静电 斥力，降低排斥能峰。
3.1.3 胶体的稳定性 胶体稳定的原因
胶体的动力稳定性 胶体的带电稳定性 胶体的水化作用稳定性
胶体的动力稳定性：是由布朗运动引起。胶粒尺寸很小，无规则 的布朗运动强，从而胶体颗粒均匀分散在水中而稳定。 胶体的带电稳定性：是由静电斥力引起。静电斥力对抗范德华引 力，使胶体颗粒保持分散状态而稳定。 胶体的水化作用稳定性：亲水性胶体的水化作用来源于胶粒表面 极性集团对水分子的强烈吸附，使胶粒周围包裹一层较厚的水化 膜，阻碍胶粒相互靠近，从而胶粒保持分散状态而稳定。
排 斥 势 能 ER
ER E
间距x
0
吸 引 势 能 EA
EA
胶体颗粒处于不同距离时，总势能可能有以下几种情况：
当oa＜x＜oc时，排斥势能占优势； 当x=ob时，在总势能曲线上出现最大排斥势能，称为排斥能峰。 当x＜oa时，吸引势能占优势；
பைடு நூலகம்
结论：
当两个胶体颗粒由远靠近时，首先起作 用是排斥势能，如果能够克服排斥能峰 进一步靠近到某一距离时吸引势能才开 始起作用。由于胶体颗粒的布朗运动能 量远小于排斥能峰，故两胶体颗粒不能 相互靠近发生凝聚，始终保持稳定。
作业一
1.何谓胶体的稳定性？胶体的稳定性的原因有 哪些？ 2.试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定 的原因。 3.胶体的凝聚机理有哪些？
作业二
1.何谓同向絮凝和异向絮凝？ 2.影响混凝效果的因素有那些？这些因素是如 何影响混凝效果的？
第 2 篇
水的物理、化学及物理化学处理
第3章 凝聚和絮凝

本章内容：3.1 胶体的稳定性 3.2 混凝机理 3.3 混凝剂 3.4 混凝动力学 3.5 混凝过程
较差。其原因有：
★ 无机混凝剂水解是吸热反应，低温时水解困难。 ★ 水温低粘度大，颗粒运动的阻力大，布朗运动减弱，不利颗粒凝 聚。同时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。 ★ 胶体颗粒水化作用增强，不利于颗粒间的粘附。
2.水的PH值的影响
◆ 水的pH值直接与水中胶粒的表面电荷和电位有关，不同的pH值下
3.2.3 影响混凝效果的主要因素
客观因素：原水水质（包括水温、pH值、碱度、水中各化学成分的
含量及性质等）
主观因素：人为可操作的混凝条件（如水力条件、混凝剂种类、用 量及投加方式等）
1.水温的影响
适宜的水温在20～30℃之间。 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，混凝效果
网捕--卷扫作用机理
网捕--卷扫作用是指投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后
形成大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些 水合金属氧化物体积收缩沉降时，会像多孔的网一样，将水中
胶体颗粒捕获卷扫下来，产生沉淀分离。 网捕--卷扫作用主要是一种机械作用，其混凝除浊效率不高。 所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水中胶体的含量 多时，所需混凝剂少。
胶粒 胶粒 高分子 高分子 胶粒 胶粒 胶粒 胶粒 排斥 排斥 高分子 高分子 排斥 排斥
高分子 高分子
图（1）
图（2）
6-5 架桥模型示意 6-6 胶体保护示意 图图 6-5 架桥模型示意 图图 6-6 胶体保护示意 投加高分子絮凝剂时，应避免出现以下两个现象：
★ 投量过少，不足以形成吸附架桥； ★ 投量过多，会出现“胶体保护”现象，见图（2）。
ψ
ζ ζ 吸附层 滑动面 扩散层
胶团
胶 胶粒 核
位越高，胶粒带电量越大，带同性电荷
的胶体颗粒之间静电斥力越大，胶体颗粒越具稳定性。
3.1.2 胶体之间的相互作用
胶体颗粒共存时相互之间的作用规律可用DLVO理论进行描述。DLVO理 论是由德加根（Derjaguin）和兰道(Landan）与伏维（Verwey）、奥
3.3 混凝剂
混凝剂种类很多，其分类方法有以下几种： 按其作用分为：混凝剂、助凝剂 按其化学组成分为：无机混凝剂、有机混凝剂 按其分子量大小分为：低分子混凝剂、高分子混凝剂 按其来源分为：天然混凝剂、合成混凝剂 目前通常使用的是前两种分类方法，即按作用和化学组 成分类。 3.3.1 无机盐类混凝剂 无机盐类混凝剂品种较少，但应用普遍。应用最广的主 要是铝盐和铁盐及其水解聚合物，如硫酸铝、三氯化铁、 硫酸亚铁等。
胶核
ψ
ζ
ζ
①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降。
②投加与胶粒带相同电荷的聚合物或高分子有机物也有良好 的混凝效果。
吸附-电中和作用机理 ★ 吸附 - 电中和作用是指胶粒表面吸附异号离子、异号 胶粒或链状带异号电荷的高分子，从而中和胶粒本身 所带的部分电荷，减少了胶粒间静电斥力，使胶粒更 易于聚沉。 ★ 吸附作用驱动力包括: 静电引力、氢键、配位键、范 德华引力等。
颗粒在水力或机械搅拌等外力推动下产生的运动
异向絮凝：是指由布朗运动引起的胶体颗粒碰撞聚集现象。胶体颗 粒的布朗运动是无规则，其碰撞可能来自不同方向，故称为异向絮 凝。胶体颗粒发生碰撞后颗粒由小变大，布朗运动会随之减弱。
同向絮凝：是指在水力或机械搅拌等外力的作用下产生的流体运动，
推动同一运动方向上速度存在快慢差异的两个颗粒的碰撞聚集而产 生的絮凝现象。
5.混凝剂种类与投加量的影响
最佳药剂种类及剂量受各种因素的影响，一般通过实验确定。
6.水中有机污染物的影响
水中溶解性的有机物分子吸附在胶体颗粒表面形成有机涂层，将胶 体保护起来，阻碍胶体颗粒之间的碰撞。
通常采用投加氧化剂（高锰酸钾、臭氧、氯等）破坏有机物对胶体 的保护作用，以改善混凝效果，降低混凝剂消耗量。
3.6 混凝设施

本章重点：水中胶体的稳定性、凝聚与絮凝机理、影响 混凝效果的主要因素、混凝剂的特性、絮凝 池的设计与计算。
本章难点：混凝机理、混凝动力学。
概 述
凝聚：水中胶体失去稳定（脱稳）并生成微小聚集体的
过程。
絮凝：脱稳的胶体相互聚结成大的絮凝体的过程。
混凝：混凝是凝聚和絮凝的总称，是指水中胶体粒子失 去稳定并相互聚结成大的絮凝体的过程。它是通 过向水中投加混凝剂实现的。 混凝去除对象:水中胶体粒子及微小悬浮物。
配制浓度
一般在10%左右。
适用条件
硫酸铝腐蚀性小，且对水质无不良影响，使用方便，混凝效果较好； 但水温低时，絮凝体形成慢而松散，效果不如铁盐。
2.三氯化铁
贝克（Overbeek）提出。 DLVO理论指出当两胶体颗粒相互靠近且双电层发生重叠时，两者之间
同时存在两个作用力：静电斥力和范德华引力。 胶体颗粒相互势能与颗粒间距离的关系曲线如下图所示： 排斥势能（ER）：由两胶粒间静电斥力 产生，随胶体颗粒表面间距增大而呈指 数关系减小。 吸引势能（EA）：由两胶粒间范德华引 力产生，与胶体颗粒表面间距成反比。 总势能（E）：排斥势能 ER和吸引势能 EA相加和。
结论：
对于憎水性胶体，动力稳定性和带电稳定性起主要作用。 对于亲水性胶体，水化作用稳定性占主导地位，带电稳定性则处 于次要地位。
3.2 混凝机理
3.2.1 胶体的凝聚机理
水处理专家公认的凝聚机理有四个方面： 压缩双电层作用机理 吸附-电中和作用机理 吸附架桥作用机理 网捕-卷扫作用机理
压缩双电层作用机理
当加入含有高价态反离子的电解质后，高价态反离子通过静
电引力进入到胶体颗粒表面，臵换出胶体原来吸附的低价反
离子，从而使双电层中的反离子数 量减少，双电层厚度变薄，即产生 压缩双电层作用，使ζ电位降低。
当ζ电位降至0时，称为等电状态，
此时排斥势能完全消失，从而使胶 粒失去稳定性，产生凝聚作用。 机理局限性（不能解释以下现象）
水处理工程中，原水是一个很复杂的分散体系。根据原 水水质不同，上述四种作用机理可能在同一混凝过程中 同时发生，也可能仅有其中的一种、两种或三种机理起 作用。
3.2.2 絮凝机理
絮凝的目的： 脱稳胶体
相互碰撞
聚集成大的絮凝体
脱稳胶体颗粒之间发生碰撞的动力来自两个方面：
颗粒的布朗运动
异向絮凝 同向絮凝
胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同； ◆ 水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同混凝剂对pH值的 适应范围不同，水解产物的形态不同，混凝效果也各不相同。 ◆ 高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值的影响较小。
3.水的碱度的影响
◆ 在盐类混凝剂的水解过程中不断产生H+，导致pH值下降，所以必 须有足够的碱性物质与其中和，即要保证碱度适中。 ◆ 如果碱度不足，应投加碱性物质（如石灰）来提高混凝效果。
胶 核
自由反离子 吸附层
扩散层
的束缚反离子合称为吸附层。
随着与胶核表面距离逐渐的增大，
束缚反离子
反离子浓度变小且有向溶液中扩散的趋势，故不随胶粒移动。这 层反离子称为自由反离子，构成扩散层。
胶粒: 胶核与吸附层合称胶粒。
胶核表面吸附的电位形成离子多于吸附层中反离子，故胶粒带电。
胶团: 胶粒与扩散层合称胶团。（胶团呈电中性） 滑动面：在胶粒与扩散层之间形成的 滑动界面。 ψ电位：胶核表面与外层之间形成的 电位差称为胶团的总电位。 ζ电位：胶粒移动时滑动面与外层的 电位差称为移动电位。 结论： 胶体的扩散层越厚，吸附层越薄，ζ电
浮状态的特性。
处理目标：通过适当的技术手段使均匀分散的稳定胶 体颗粒失去稳定性，相互碰撞聚结成大颗粒，达到沉 降分离目的。 思考：为什么水中胶体具有稳定性？
3.1.1 胶体的双电层结构
胶体颗粒的最内层称为胶核，胶核表面因吸附电位形成离子而产生 表面电荷，带电荷的胶核通过静电作用吸引溶液中的反离子到其周 围，构成了胶体的双电层结构。 靠近胶核表面的一层反离子浓度最 大，且通过静电作用与胶核紧密吸 附在一起并随胶粒移动，将这层反 离子称为束缚反离子。 胶核表面的电位形成离子和其吸附
4.水中浊质颗粒浓度的影响
水中浊质颗粒浓度很低时，由于颗粒碰撞速率大大减少，混凝效 果差。可采取以下措施： 投加高分子助凝剂，利用吸附架桥作用； 投加粘土，增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速 率并增加絮凝体密度。
投加混凝剂后直接过滤。
低温低浊水的混凝更为困难，成为专门研究课题。 如果原水中悬浮物浓度很高时，为节约混凝剂，通常先预沉或投 加高分子助凝剂。
★ 药剂投加量过多时，吸附驱动力使胶粒吸附过多异号 离子，从而导致胶粒反号，即胶体发生再稳现象。
由DLVO 理论可知，只要将ζ电位降至某一数值，使排斥 能峰Emax =0，胶体即可发生凝聚，此时的ζ电位称为临 界电位ζk。
吸附架桥作用机理
吸附架桥作用是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。高分子链的 一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高 分子-胶粒”的絮凝体。架桥模型示意见图（1）。
7.水力条件的影响
水力条件包括水力强度和作用时间。 混凝过程包括混合和絮凝两个阶段： 混合阶段：要求混合快速剧烈，通常在10～30s，至多不超过两分 钟，以使混凝剂能迅速均匀地分散到原水中。 絮凝阶段：使已脱稳的胶粒通过同向絮凝的方式逐渐增大，搅拌 强度和水流速度应随着絮凝体的增大而逐渐降低，且应保证有一定 的絮凝作用时间。
1.硫酸铝
外观及腐蚀性
分别为白色和灰白色结晶。含有不同数量的结晶水，常用的硫酸铝 为A12(SO4)3· 18H2O，硫酸铝易溶于水，溶液呈酸性，腐蚀性较小。
对水温和pH值的适应性
适宜水温20～40℃。用于去除水中浊度时，最佳pH范围在6.5～7.5 之间，用于去除水中色度时，最佳pH范围在4.5～5.5之间。